1

Pregledni rad

NOVI TRENDOVI U PROIZVODNJI BIOETANOLA

Valentina V. Semenčenko1, Ljiljana V. Mojović

1, Slobodan D. Petrović

1,2, Ozren J. Ocić

3

1Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija

2Hemofarm A.D., Vršac, Srbija

3 EU-Fakultet za inženjerski internacionalni menadžment, Beograd, Srbija

Rad primljen: 13. septembar 2010.

Rad prihvaćen: 15. novembar 2010.

Autor za prepisku: Lj. Mojović, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu,

Karnegijeva 4, p. p. 3503, 11120 Beograd, Srbija

E-pošta: lmojovic@tmf.bg.ac.rs

2

IZVOD

Bioetanol je biogorivo koje se širom sveta koristi kao zamena za fosilna goriva. Upotrebom

smeša bioetanola i benzina može se znatno smanjiti potreba za naftom kao i emisija gasova

staklene bašte, odnosno zagaĎenje životne sredine. Iako se bioetanol već decenijama proizvodi iz

skrobnih i šećernih sirovina, useva namenjenih prvenstveno ishrani, danas se smatra da

korišćenje obradivih poljoprivrednih površina za proizvodnju ovog goriva nije opravdano pa se

intenzivno razvijaju tehnologije za njegovo dobijanje iz lignoceluloznih izvora biomase kao što

su šumski, poljoprivredni i komunalni otpad. Upotreba lignocelulozne biomase za proizvodnju

biogoriva biće neizbežna u bližoj budućnosti kada se očekuje da će se tečna fosilna goriva morati

zameniti obnovljivim održivim alternativama. Primena novih enzimskih sistema za hidrolizu

celuloze, sinteza fermentativnih sojeva tolerantnih na inhibitore koji fermentišu pentozu, u

kombinaciji sa optimizovanom integracijom procesa, obećavaju značajan napredak.

UVOD

3

Bioetanol je tečno biogorivo koje se dobija procesom fermentacije iz biomase. Zalihe

neobnovljivih (konvencionalnih) izvora energije (nafta, ugalj, gas) ograničene su i imaju

značajan negativni uticaj na životnu sredinu, kao što je povećanje emisije gasova staklene bašte

[1]. Značaj bioetanola za životnu sredinu ogleda se u redukovanju ukupne emisije CO2, jednog

od gasova staklene bašte koji utiču na globalno zagrevanje. Ukupni bilans CO2 u procesu

sagorevanja bioetanola jednak je nuli, jer biljke za fotosintezu potroše količinu ovog gasa

jednaku onoj koja nastane u toku sagorevanja etanola [2]. Ova činjenica je veoma važna sa tačke

gledišta Konferencije o klimatskim promenama Ujedinjenih nacija, održane u Kopenhagenu u

decembru 2009. godine, čiji je jedan od glavnih zaključaka bio da globalno zagrevanje ne sme

premašiti 2 °C do 2020. godine [3].

Trend proizvodnje bioetanola kao goriva u svetu je u stalnom porastu. Prema izveštaju

Svetskog udruženja za obnovljiva goriva (Global Renewable Fuels Alliance) ukupna svetska

proizvodnja bioetanola je 2009. godine iznosila 73,9 milijardi litara (slika 1). Prognozira se da će

produkcija ovog goriva 2010. godine dostići 85,9 milijardi litara, što bi predstavljalo porast od

16,2% u odnosu na 2009. godinu [4]. Ono što bioetanol stavlja ispred ostalih obnovljivih izvora

energije u ovom trenutku je činjenica da se kompletna postojeća naftna infrastruktura može

iskoristiti i za distribuciju biogoriva, i da biogorivo može bez problema (ili uz neznatne

modifikacije) da sagoreva u benzinskim/dizel motorima [5].

Slika 1.

Proizvodnja bioetanola je 2007. godine predstavljala oko 4% u odnosu na potrošnju

benzina od 1300 milijardi litara na svetskom nivou [6]. Sjedinjene Američke Države, Brazil i

nekoliko članica Evropske unije predstavljaju najveće proizvoĎače bioetanola u svetu, što je

prikazano u tabeli 1 [4].

4

Tabela 1.

Uz podršku novih vladinih programa u Americi, Aziji i Evropi, ukupni globalni zahtevi

za biogorivima mogli bi premašiti 125 milijardi litara do 2020. godine [7].

Bioetanol i smeše bioetanola i benzina koristile su se još od same pojave motora sa

unutrašnjim sagorevanjem. U Brazilu je komercijalna primena bioetanola, dobijenog iz šećerne

trske, započela još 1925. godine. Od osamdesetih godina dvadesetog veka značajno se povećalo

interesovanje za ovo gorivo. Osim što manje zagaĎuje životnu sredinu izduvnim gasovima,

bioetanol ima i veći oktanski broj u odnosu na benzin (108), veću toplotu isparavanja i manju

toplotu sagorevanja [8,9]. Bioetanol se može koristiti kao čisto gorivo (u posebno konstruisanim

motorima) ili u smeši sa benzinom (E5, E10, E85). Smeše sa nižim zapreminskim udelom

bioetanola su kompatibilne sa konvencionalnim motorima, dok smeše sa više od 30% etanola

zahtevaju modifikaciju motora. S obzirom da etanol u molekulu sadrži kiseonik, omogućeno je

kompletnije sagorevanje komponenata benzina, redukovanje količine ugljen-monoksida,

toksičnih supstanci kao što su benzeni i smanjenje nivoa ugljovodonika koji ne sagorevaju [2]. U

Evropskoj uniji se proizvodnja bioetanola posebno podstiče direktivom o korišćenju biogoriva

(Direktiva 2003/30/EC), kojom se obavezuju zemlje članice da proizvedu ili obezbede na tržištu

minimalne količine biogoriva. Cilj je bio da se do kraja 2005. godine obezbedi zamena za 2%

fosilnih goriva, a do kraja 2010. godine za 5,75%, mereno u odnosu na sadržaj energije [2]. Ova

direktiva je u skladu sa Kjoto sporazumom potpisanim 1997. godine sa ciljem da se smanji

emisija gasova koji doprinose efektu staklene bašte [2]. Ovom povećanju udela korišćenja

alternativnih izvora energije biomasa bi trebalo da odigra važnu ulogu, jer posle uglja, nafte i

prirodnog gasa, biomasa je najveći izvor energije koji može da zadovolji oko 14% svetskih

potreba za energijom [10].

5

U ovom radu prikazani su savremeni trendovi u industriji proizvodnje bioetanola u svetu

sa posebnim akcentom na dobijanju ovog goriva iz lignocelulozne biomase. Cilj je bio da se

ukaže na mogućnosti iskorišćenja različitih obnovljivih izvora sirovina, kao i na prednosti i

nedostatke pojedinih postupaka proizvodnje ovog biogoriva uglavnom na lignoceluloznoj

biomasi.

ULOGA INDUSTRIJE PRERADE NAFTE U PRIMENI BIOETANOLA

Bioetanol se najčešće koristi u smeši sa benzinom, dobijenim rafinerijskom preradom

sirove nafte. Kvalitet namešanog motornog goriva potrebno je da ispunjava zahteve za

kvalitetom motornih benzina koji je predviĎen evropskim standardima (EN 228 uspostavljen

1996), koji se odnosi na bezolovne benzine [11,12]. Česte promene standarda odnosno

specifikacija (tabela 2) sa rigoroznim ekološkim zahtevima, doprinele su i značajnom porastu

proizvodnje bioetanola i njegovom korišćenju kao komponente za proizvodnju motornih

benzina.

Tabela 2.

Proizvodnja motornih benzina, prema aktuelnom evropskom standardu (Evro 5) moguća

je samo u rafinerijama koje su izvršile modernizaciju tehnoloških procesa uvoĎenjem

savremenih katalitičkih procesa, kao i procesa hidrodesulfurizacije [13,14]. U tom slučaju

rafinerije mogu proizvoditi benzinsku komponentu odgovarajućeg kvaliteta koja, namešana sa

bioetanolom, daje benzin koji odgovara standardima Evropske unije.

Primenom bioetanola, pored značajnih ekoloških efekata i ispunjenja zahteva prema

direktivi Evropske komisije, postiže se sledeće:

1. razvoj sektora poljoprivrede,

6

2. razvoj i bolje ekonomsko poslovanje raznih grana industrije, kroz proizvodnju i primenu

nusproizvoda,

3. smanjenje uvozne energetske zavisnosti (proizvodnja domaće nafte zadovoljava oko 20%

domaćih, ukupnih, potreba za derivatima).

SIROVINE ZA PROIZVODNJU BIOETANOLA

Sirovine za proizvodnju bioetanola mogu se podeliti u tri osnovne grupe: (1) šećerne

(šećerna repa, šećerna trska, sirak, voće itd.), (2) skrobne (kukuruz, pšenica, pirinač, krompir,

kasava, slatki krompir, ječam itd.) i (3) lignocelulozne (drvo, poljoprivredni viškovi, gradski

otpad itd.). Šećerne sirovine se mogu, pomoću kvasca, razgraditi direktno metaboličkim putem,

te ovakvi supstrati ne zahtevaju skupu pripremu. Sirovine koje sadrže skrob i lignocelulozu su

jeftinije od sirovina koje sadrže šećer, ali je prevoĎenje ovih sirovina do oblika koji je dostupan

kvascima skupo i predstavlja nedostatak ovih supstrata [2,15,16].

Vodeći proizvoĎači etanola su Brazil i SAD, koji zajedno čine 80% svetske proizvodnje

[17]. Najveći procenat etanola (90%) proizvodi se fermentacijom glukoze iz kukuruznog skroba

(SAD) i saharoze iz šećerne trske (Brazil). Trenutno proizvodnja bioetanola kao pogonskog

goriva gotovo u potpunosti zavisi od skroba i šećera iz postojećih poljoprivrednih useva. Glavni

nedostatak korišćenja skrobnih i šećernih sirovina jeste njihova cena i to što im je primarna

namena ishrana.

U Srbiji, jedna od najpogodnijih i najrasprostranjenijih poljoprivrednih sirovina za

industrijsku proizvodnju bioetanola je kukuruz [18]. Krupno zrno i sirup koji ostanu iza

destilacije prevode se u visoko kvalitetnu hranu za stoku, a CO2 koji nastaje tokom fermentacije

skladišti se i prodaje za upotrebu u gaziranim pićima i proizvodnju suvog leda [5].

7

Tečna goriva koja se proizvode iz obnovljivih lignoceluloznih izvora pružaju nekoliko

pogodnosti: niže cene sirovina, povećanje obradivih površina predviĎenih za poljoprivredne

useve namenjene ishrani ljudi i životinja, manju upotrebu fosilnih goriva [19].

Glavne prepreke i problemi koje je potrebno rešiti prilikom biokonverzije lignoceluloze

do bioetanola su: izbor i optimizacija predtretmana; relativno visoki troškovi enzimske hidrolize;

postizanje zadovoljavajuće konverzije šećera (uključujući pentoze) do etanola; integrisanje i

poboljšanje procesa kako bi se smanjio utrošak energije i vode; karakterisanje i ocena

nusproizvoda lignina i na kraju, upotreba reprezentativnih i pouzdanih podataka za procenu

troškova i odreĎivanje uticaja na životnu sredinu i socio-ekonomsku situaciju [19]. Sprovedena

su mnoga istraživanja radi unapreĎenja i optimizacije postojećih procesa i utvrĎivanja

inhibirajućih faktora koji utiču na niske prinose kod enzimske hidrolize. Zahtevni fizičko-

hemijski predtretmani sirovina, kao i visoke cene enzimskih preparata, razlozi su što je

proizvodnja bioetanola iz lignoceluloznih sirovina još uvek, uglavnom, na laboratorijskom nivou

[20]. UvoĎenje efikasne proizvodnje bioetanola iz lignoceluloznih sirovina imalo bi veliki značaj

u proizvodnji alternativnih goriva i istovremenom iskorišćavanju šumskog i poljoprivrednog

otpada.

U zavisnosti od vrste sirovine, za dobijanje bioetanola primenjuju se različiti postupci

konverzije, što je prikazano u tabeli 3 [17].

Tabela 3.

LIGNOCELULOZNA BIOMASA

Lignocelulozna biomasa je najrasprostranjenija u biosferi jer ulazi u sastav ćelijskog zida

biljaka, a sastoji se iz celuloze, hemiceluloze i lignina [21]. Lignocelulozne sirovine se mogu

podeliti u više grupa: (1) poljoprivredni ostaci (otpaci od šećerne trske, kukuruzovina, slama od

8

pšenice, pirinča i ječma, ljuske od pirinča, koštice od maslina itd.); (2) tvrdo drvo (jasika,

topola); (3) meko drvo (omorika, smrča); (4) celulozni otpad (stare novine, iskorišćeni

kancelarijski papir, kaša od recikliranog papira itd.); (5) biljna biomasa (lucerka i ostalo krmno

bilje) i (6) komunalni čvrsti otpad [22]. Šume obuhvataju oko 80% svetske biomase i

predstavljaju atraktivnu sirovinu za proizvodnju bioetanola zbog dostupnosti, niske cene, velike

količine, kao i mogućnosti obnavljanja [2].

Hemijski sastav i struktura lignocelulozne biomase

Osnovne hemijske komponente lignocelulozne biomase su: celuloza, hemiceluloza,

lignin, ekstrakti, pepeo i druga jedinjenja.

Celuloza je glavna komponenta ćelijskog zida viših biljaka. Celulozna vlakna obezbeĎuju

čvrstoću drveta i čine 40–50% njegove suve mase. Celuloza je homopolisaharidni polimer

sastavljen od molekula β-D-glukopiranoze povezanih (1→4)-glikozidnim vezama. Molekuli

celuloze su linearni, stepen polimerizacije (n) varira od sirovine do sirovine i prosečno iznosi od

2000 do 27000 glukoznih jedinica. Osnovna jedinica koja se u molekulu ponavlja je dimer

nastao od dva anhidrovana molekula celuloze – celobioza. Svaka monomerna jedinica celuloze

može formirati dve vodonične veze sa monomerom u susednom lancu. Vodonične veze povezuju

lance u svakom sloju, pošto su inače slojevi spojeni samo slabim Van der Valsovim vezama.

Rezultat je veoma stabilna konfiguracija bez meĎumolekulskih šupljina. Kada se rešetke nativne

celuloze razore, na primer jakim alkalijama ili rastvaranjem celuloze, postoji mogućnost njene

regeneracije. Lanci regenerisane celuloze nisu paralelni, ali su termodinamički stabilniji od

nativne celuloze [2,22].

Hemiceluloze pripadaju grupi heteropolisaharida i čine 15–30% suve mase drveta [2].

Hemiceluloze mekog i tvrdog drveta, iako različite strukture i sastava hidrolizuju do

9

monomernih komponenata: glukoze, manoze, galaktoze, ksiloze, arabinoze i malih količina

ramnoze, glukuronske, metilglukuronske i galakturonske kiseline. Većina hemiceluloza ima

stepen polimerizacije oko 200 [2]. Hemiceluloze se uglavnom rastvaraju u alkalijama tako da se

mogu lakše hidrolizovati [22].

Lignin je veoma kompleksan molekul sastavljen iz fenilpropanskih jedinica. Mada su

osnovni strukturni elementi lignina poznati, neke njegove hemijske karakteristike ostaju nejasne.

Biosintetički lignin nastaje iz glukoze preko formiranja tri prekursorna alkohola: kumaril,

koniferil i sinapil alkohol. Drvo ima visok sadržaj lignina. Hemijske veze izmeĎu lignina i

hemiceluloze i celuloze su estarske, etarske i glikozidne. Etarske veze su stabilnije u poreĎenju

sa estarskim izmeĎu lignina i ugljenih hidrata. Ove veze čine lignin izuzetno otpornim prema

hemijskoj i enzimskoj razgradnji, dok biološku razgradnju omogućuju mnoge gljive i odreĎene

aktinomicete.

Ekstrakti su jedna od glavnih komponenata drvnog materijala, a rastvorljivi su u

neutralnim organskim rastvaračima i vodi. Sastoje se iz velikog broja lipofilnih i hidrofilnih

komponenata. Ekstrakti se mogu klasifikovati u četiri grupe: (1) terpenoidni i stereoidni, (2)

masti i voskovi, (3) fenolna jedinjenja i (4) neorganske komponente [2].

PRETHODNA PRIPREMA LIGNOCELULOZNE BIOMASE

Proces proizvodnje bioetanola iz lignoceluloznih sirovina sastoji se od četiri faze: (1)

predtretman, (2) hidroliza, (3) fermentacija, (4) razdvajanje i prečišćavanje bioetanola. Šematski

prikaz procesa proizvodnje bioetanola iz lignocelulozne biomase dat je na slici 2 [17].

Slika 2.

Prilikom proizvodnje bioetanola iz lignocelulozne biomase zbog njene složene strukture

prethodna priprema sirovine je od izuzetnog značaja. Mikroorganizmi ne mogu da fermentišu

10

lignin, koji je sastavna komponenta lignocelulozne sirovine pored celuloze i hemiceluloze.

Struktura lignoceluloze je izgraĎen od matrice celuloze i lignina koja je povezana

hemiceluloznim lancima (slika 3). Tokom predtretmana neophodno je razložiti matricu kako bi

se smanjio stepen kristaliničnosti celuloze i povećala frakcija amorfne celuloze koja je

najpogodnija za enzimsku reakciju [22]. Predtretmanom se celuloza i hemiceluloza izdvajaju od

lignina, a zatim se njihovom hidrolizom prevode u fermentabilne šećere (heksoze i pentoze).

Hidrolizu treba voditi pod uslovima pri kojima ne dolazi do izdvajanja jedinjenja koja bi mogla

da inhibiraju fermentaciju. Na hidrolizu celuloze utiče poroznost površine (dostupna površina)

lignoceluloznog materijala i osnovni cilj predtretmana je razdvajanje lignina i celuloze,

smanjenje kristaliničnosti celuloze i povećanje poroznosti materijala.

Slika 3.

Lignin, koji se razdvoji od celuloze i hemiceluloze može se direktno spaljivati i koristiti

kao gorivo, na primer za zagrevanje domaćinstava, ili se može efikasno prevesti u sintetički gas

(CO2, CO i H2) procesom termičke gasifikacije i tako koristiti kao dodatni izvor energije.

Predtretmanom biomasa se omekšava i u velikoj meri se razaraju ćelijske strukture čime

se povećava prinos u procesu hidrolize. Uspešan predtretman mora da ispuni sledeće zahteve: (1)

da pospeši formiranje šećera ili omogući njihovo nastajanje tokom hidrolize, (2) izbegne

razlaganje ili gubitak ugljenih hidrata, (3) da onemogući nastajanje nusprodukata koji bi mogli

da inhibiraju procese hidrolize i fermentacije, i (4) da bude ekonomski isplativa. Hidrolizom bez

predtretmana dobijaju se prinosi najčešće manji od 20%, dok sa predtretmanom prinos može biti

i preko 90% [23].

Predtretman lignocelulozne biomase može se vršiti različitim postupcima, od kojih su

najznačajniji: fizički, fizičko-hemijski, hemijski i biološki.

11

Fizičke metode

Otpadni materijali se mogu usitniti kombinacijom lomljenja, drobljenja i mlevenja kako

bi se smanjila kristaliničnost celuloze. Time se enzimu celulazi pospešuje pristup što većoj

površini biomase, čime se povećava stepen konverzije celuloze. U fizičke metode predtretmana

ubrajaju se: mehaničko sitnjenje, piroliza i radijacija. Iako se mehaničkim metodama

predtretmana povećava efikasnost enzimske hidrolize celuloze, osnovni nedostatak ovih

postupaka je veliki utrošak energije i velika kapitalna ulaganja [24]. Piroliza je takoĎe ispitivana

kao jedna od metoda za predtretman lignoceluloznih sirovina jer se celuloza ubrzano razgraĎuje

pod uticajem visoke temperature [22].

Fizičko-hemijske metode

Fizičko-hemijske metode za prethodnu pripremu sirovina su znatno efektivnije od

fizičkih. U fizičko-hemijske metode spadaju: eksplozija pod uticajem vodene pare, predtretman

toplom vodom, eksplozija u prisustvu amonijaka i eksplozija u prisustvu CO2. Od ovih metoda je

najznačajnija eksplozija pod uticajem vodene pare. U toku ovog postupka, primenom zasićene

pare pod visokim pritiskom dolazi do reakcije autohidrolize u kojoj se deo celuloze i lignina

prevodi u rastvorljive oligomere. Faktori koji utiču na predtretman parnom eksplozijom su:

vreme zadržavanja, temperatura, veličina čestica biomase i sadržaj vlage. U nekim slučajevima

(na primer biljni otpad), nije poželjna upotreba veoma sitnih čestica zbog ekonomičnosti [25].

Ovaj metod se smatra jednim od najisplativijih za tvrdo drvo (topola, hrast, breza, javor) i

poljoprivredne ostatke, ali je manje efikasan za meko drvo (bor, kedar). Shahbazi i sar. [26]

predložili su frakcionisanje ovog postupka za meko drvo na parnu eksploziju i alkalnu

delignifikaciju u cilju dobijanja etanola i nusproizvoda. Soderstrom i sar. [27] predložili su

dvostepeni parni predtretman impregniranja mekog drveta razblaženom kiselinom koja uključuje

12

delimičnu hidrolizu celuloze u drugom stepenu Prema ovim autorima, predtretmanom se

omogućva značajno povećanje prinosa proizvedenog bioetanola.

Jedan od metoda koji najviše obećava je predtretman tečnom vrelom vodom (Liquid Hot

Water- LHW) ili termohidroliza. Laser i sar. [28] naglašavaju da pod optimalnim uslovima, ova

metoda daje slične rezultate kao predtretman razblaženom kiselinom, ali bez dodatka kiseline i

nastajanja proizvoda neutralizacije. TakoĎe, ovom metodom se povećava prinos izdvojenih

pentoza bez nastajanja inhibitora [29]. Negro i sar. [30] uporedili su parnu eksploziju sa LHW

predtretmanom za biomasu topole, pri čemu je ovaj drugi pokazao bolje rezultate na temperaturi

od 210°C u trajanju od 4 minuta.

Od fizičko-hemijskih metoda, važno je pomenuti eksploziju vlakana amonijakom

(Ammonia Fiber Explosion, skraćeno AFEX), koja je u osnovi slična parnoj eksploziji. Slično

parnoj eksploziji i AFEX-u, eksplozivna dekompozicija u prisustvi CO2 ima isti princip, ali su

prinosi relativno niski [31].

Hemijske metode

U hemijskim predtretmanima koriste se razni hemijski agensi kao što su ozon, kiseline,

alkalije, peroksidi i organski rastvarači. Najčešće se primenjuju neorganske kiseline kao što su

sumporna i hlorovodonična. Postupak hidrolize razblaženom sumpornom kiselinom je uspešno

razvijen s obzirom da se mogu postići veliki prinosi reakcije čime se znatno pospešuje sledeći

proces hidrolize celuloze. MeĎutim, troškovi predtretmana razblaženom kiselinom su viši nego

kod parne eksplozije ili AFEX-a, zbog toga što je pri konstrukciji reaktora za ovu vrstu

predtretmana neophodno koristiti materijale otporne na koroziju i povišeni pritisak [31].

13

Biološke metode

Biološki predtretmani zahtevaju mali utrošak energije i blage reakcione uslove. MeĎutim,

većina ovih procesa je suviše spora, traje od nekoliko dana do nekoliko nedelja, zbog čega je

primena na industrijskom nivou ograničena. U ovim postupcima se mogu koristiti različiti

mikroorganizmi koji razgraĎuju lignoceluloznu biomasu: gljive, plesni i bakterije. Mnoge bele

plesni razgraĎuju lignin i zbog toga se koriste za proizvodnju ligninaza i razgradnju

lignoceluloze. U patentu koji se odnosi na razgradnju lignina u procesu proizvodnje bioetanola iz

biomase, Zhang je koristio gljivu Phanerochaete chrysosporum [32]. Šema ovog procesa

predstavlja odvojenu fermentaciju pentoza i heksoza.

Jedan od glavnih problema koji se javljaju u toku procesa predtretmana i hidrolize

biomase jeste promenljivost u sadržaju lignina i hemiceluloze. Na njihov sadržaj utiču: vrsta

biljke iz koje je uzeta biomasa, starost useva, primenjene agrotehničke mere i tako dalje. Novi

trendovi za poboljšanje predtretmana lignoceluloznih sirovina takoĎe uključuju i projektovanje

genetski modifikovanih biljaka sa većim sadržajem ugljenih hidrata ili takvih da omoguće

predtretman u blažim uslovima ili upotrebom hemicelulaza [22].

Uklanjanje toksičnih materija iz lignoceluloznih hidrolizata

Za vreme predtretmana i hidrolize lignocelulozne biomase, osim fermentabilnih šećera

nastaju i neka jedinjenja koja mogu da inhibiraju fermentaciju. Inhibitorne supstance nastaju kao

rezultat hidrolize jedinjenja ekstrakata, organskih kiselina koje se esterifikuju sa hemicelulozom

(sirćetna, mravlja, glukuronska, galakturonska) i rastvorenih fenolnih jedinjenja. TakoĎe,

inhibitori nastaju i razgradnjom rastvorljivih šećera (furufural, HMF -hidroksimetilfurfural) i

lignina (cimetaldehid, p-hidroksibenzaldehid, 4-hidroksi-3,5-dimetoksibenzaldehid) i kao

proizvod korozije (metalni joni) [23]. Iz ovih razloga je, u zavisnosti od vrste predtretmana i

14

hidrolize, potrebno izvršiti uklanjanje toksina iz toka koji ulazi u fermentor. Metode

detoksikacije mogu biti fizičke, hemijske ili biološke. Ove metode se ne mogu direktno porediti

zbog različitog stepena neutralizacije inhibitora. Pored toga, mikroorganizmi koji se koriste u

procesu fermentacije imaju različit stepen tolerancije na inhibitore.

HIDROLIZA CELULOZE

Da bi se izvršila fermentacija lignoceluznih sirovina, neophodno je da se celuloza razloži

do glukoze (saharifikacija) korišćenjem kiselina ili enzima. Hidroliza lignoceluloze posle koje

sledi fermentacija, mnogo je komplikovanija od obične hidrolize šećera. Za izvoĎenje faze

hidrolize lignoceluloznih sirovina mogu se koristiti kiselinski i enzimski postupci ili njihova

kombinacija [1].

Hidroliza kiselinama

Hidroliza u prisustvu kiselina je jedna od najstarijih i najčešće primenjivanih tehnologija

za prevoĎenje lignoceluloze u fermentabilne šećere. Postoje dva tipa procesa kiselinske

hidrolize: hidroliza sa razblaženom i koncentrovanom kiselinom. Ako se koristi razblažena

kiselina (H2SO4 i HCl) na temperaturi izmeĎu 200–400 °C, potrebna je koncentracija kiseline od

1,5% da bi došlo do hidrolize kristalne celuloze, meĎutim, pod ovim uslovima dolazi do

razlaganja glukoze u HMF i ostale neželjene proizvode. Na sličan način, ksiloza se razlaže na

furfural i druge komponente. Tokom dvostepenog režima, prvi stepen se odvija pod blagim

uslovima (190 °C, 0,7% kiseline, 3 minuta) da bi se izdvojile pentoze, dok se u drugom stepenu

čvrsti supstrat podvrgava oštrijim uslovima (215 °C, 0,4% kiseline, 3 minuta) da bi se izdvojile

heksoze. Na ovaj način, dobija se prinos od 50% glukoze [33]. U drugoj varijanti kiselinske

hidrollize koristi se ekstremno niska koncentracija kiseline i visoka temperatura tokom šaržnog

procesa (pristup autohidrolize), a ovakva hidroliza je primenjena na piljevini [34].

15

Postupkom sa koncentrovanom kiselinom, koncentracije 30–70% H2SO4, postiže se veći

prinos glukoze (90%) i ovaj proces je relativno brz (10–12 h), ali je količina korišćene kiseline

otežavajući ekonomski faktor [33].

Hidroliza enzimima

Budućnost proizvodnje bioetanola iz lignoceluloznih sirovina danas u najvećoj meri

zavisi od razvoja enzimskih postupaka, koji su još uvek prilično skupi da bi cena tako

proizvedenog bioetanola bila konkurentna ceni fosilnog goriva ili ceni bioetanola proizvedenog

iz skrobne biomase. MeĎutim, očekuje se značajan napredak u domenu poboljšanja celulolitičke

aktivnosti (aktivnosti enzima celulaza), termičke stabilnosti enzima i efektivnosti konverzije

celuloze do 2015. godine, što će ovaj proces, prema opštim predviĎanjima, učiniti

najkonkurentnijim za proizvodnju bioetanola. Metode koje će se koristiti za ove svrhe uključuju

klasične metode i metode genetskih modifikacija enzima.

Cilj enzimske hidrolize je da se depolimerizuju polisaharidi – čvrsta frakcija koja ostaje

posle predtretmana koja je nerastvorna u vodi. Posle većine predtretmana, glavni deo ovih

polisaharida čini celuloza. Za sintezu celulolitičkih enzima najčešće se koriste plesni

Trichoderma reesei i reĎe Aspergillus niger. Plesni sintetišu kompleks celulolitičkih enzima

potrebnih za efikasnu hidrolizu, od kojih su najvažnije tri grupe enzima koji deluju sinergistički:

endo-β-1,4-glukanaze (EG, EC 3.2.1.4) napadaju endogeni deo lanca celuloze, celobiohidrolaze

(CBH, EC 3.2.1.91) napadaju krajeve polimera, oslobaĎajući celobiozu koja se potom cepa na

dva molekula glukoze pomoću enzima β-glukozidaze (BG, EC 3.2.1.21) [35]. Takozvani

„pomoćni“ enzimi kao što su hemicelulaze [36] i ligninaze [37] takoĎe mogu imati ulogu u

hidrolizi tako što olakšavaju glavnim enzimima pristup celulozi. Aktivnost celobiohidrolaza

rezultira u postepenom smanjenju nivoa polimerizacije dok endoglukanaze izazivaju cepanje

16

celuloze u manje lance brzo smanjujući stepen polimerizacije. Endoglukanaze posebno dobro

deluju na amorfnu celulozu, dok celobiohidrolaze deluju i na kristalnu celulozu [35]. Iako T.

reesei produkuje nekoliko β-glukozidaza, koje razlažu hidrolizom nastale molekule celobioze na

dva molekula glukoze, njihova aktivnost nije velika. Nažalost, celobiohidrolaze se inhibiraju

celobiozom. Iz tog razloga je neophodno dodati i β-glukozidaze poreklom iz drugih

mikroorganizama kako bi se pospešila efikasnost celulaza iz ove plesni.

Da bi došlo do hidrolize nerastvorne celuloze, potrebno je da se celulaze adsorbuju na

površinu čestica supstrata. Trodimenzionalna struktura ovih čestica u kombinaciji sa njihovom

veličinom i oblikom odreĎuje da li će β-glikozidne veze biti pristupačne enzimu [38]. Zbog toga

je enzimska hidroliza celuloze sporija u poreĎenju sa enzimskom razgradnjom drugih

biopolimera. Na primer, hidroliza skroba enzimom amilazom je 100 puta brža od brzine

hidrolize celuloze celulazom pod industrijskim proizvodnim uslovima.

Efikasno uklanjanje lignina zahteva ekstremne uslove, pa se danas delignifikacija

uspešno postiže sa belocrvenim plesnima, koje pripadaju familiji Basidiomicetaceae. Ove plesni

sintetišu oksidativne enzime, koji stvaraju radikale, sposobne da raskidaju kovalentne veze u

ligninu. Ovi enzimi deluju sinergistički sa celulazama i hemicelulazama, uklanjajući ligninski

sloj.

Visoki troškovi proizvodnje enzima kao i velike doze potrebne za hidrolizu prethodno

pripremljene biomase, su osnovni nedostaci ovog procesa koji usporavaju njegovu

komercijalizaciju u proizvodnji bioetanola iz lignoceluloznih sirovina.

Jedno od mogućih rešenja mogli bi biti celulozomi – strukture izolovane iz nekih

mikroorganizama koje poseduju enzimske komplekse potrebne za razgradnju lignoceluloznih

sirovina. Mikroorganizmi koji proizvode celulozome imaju sposobnost da simultano razgraĎuju

17

lignocelulozne sirovine prevodeći ih u sopstvenu ćelijsku masu i produkte metabolizma, kao što

je etanol [21].

FERMENTACIJA HIDROLIZATA BIOMASE

Fermentaciju hidrolizata do bioetanola vrši se primenom mikroorganizama kao što su

kvasci. Pošto lignocelulozni hidrolizat ne sadrži samo glukozu već i razne monosaharide

(ksiloza, manoza, galaktoza i arabinoza) i oligosaharide, mikroorganizmi bi trebalo da efikasno

fermentišu ove šećere radi uspešne industrijske proizvodnje bioetanola [39]. Cilj hemijskog

procesa fermentacije je da prevede glukozu do alkohola i ugljen-dioksida. Reakcije koje se

odigravaju u samom kvascu tokom ovog procesa su veoma složene ali se krajnji proces može

prikazati jednačinom:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (1)

Glukoza → Etil alkohol + Ugljen-dioksid

Teorijski se od 1 kg glukoze dobija 0,51 kg bioetanola i 0,49 kg ugljen-dioksida. MeĎutim, u

praksi, mikroorganizmi koriste deo glukoze za ćelijski rast tako da je realan prinos manji od

100% (tabela 4) [40].

Tabela 4.

Odvojena hidroliza i fermentacija

Klasična konfiguracija procesa koja se koristi za fermentaciju hidrolizata biomase je

proces iz dva koraka gde se hidroliza celuloze i fermentacija vrše odvojeno. Ova konfiguracija je

poznata kao odvojena hidroliza i fermentacija (Separate Hydrolysis and Fermentation – SHF).

Druga mogućnost je simultana saharifikacija i fermentacija (Simultaneous Saccharification and

Fermentation – SSF) (slika 4) [41-43], gde se hidroliza i fermentacija odvijaju u istom reaktoru.

18

Najčešće korišćeni mikroorganizam za fermentaciju lignoceluloznih hidrolizata je

Saccharomyces cerevisiae koji fermentiše heksoze, ali ne i pentoze iz hidrolizata.

Slika 4

Kod odvojene hidrolize i fermentacije, čvrsta frakcija lignoceluloznog materijala se

podvrgava hidrolizi (saharifikaciji). Ova frakcija sadrži celulozu u obliku koji je dostupan

dejstvu kiselina ili enzima. Dobijeni hidrolizat celuloze se dalje fermentiše u drugom reaktoru i

prevodi u etanol. Jedna od glavnih prednosti SHF procesa je što se svaki korak procesa može

izvoditi pod optimalnim operativnim uslovima jer se odigravaju u dva odvojena reaktora.

Najvažniji faktori koji se moraju uzeti u obzir kod saharifikacije su reakciono vreme,

temperatura, pH, količina enzima i količina supstrata [22].

Simultana saharifikacija i fermentacija

Proces simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) pokazuje izvesne prednosti u odnosu

na proces SHF, jer se postižu veći prinosi uz manji utrošak energije. U ovom procesu se celulaze

i mikroorganizmi dodaju u isti reaktor, tako da ćelije kvasca odmah mogu da metabolišu

glukozu koja nastaje tokom enzimske hidrolize celuloze, oslobaĎajući etanol. Na taj način se

neutrališe inhibitorno dejstvo šećera na celulaze. MeĎutim, pošto je neophodno koristiti

razblaženiji medijum kako bi se postigla odgovarajuća reološka svojstva, koncentracija finalnog

proizvoda je niska. Pored toga, ovaj proces se odigrava pod uslovima koji nisu optimalni za

hidrolizu i zahteva veće doze enzima, što pozitivno utiče na konverziju supstrata, ali negativno

na troškove procesa. Uzimajući u obzir da cena enzima čini veći deo troškova proizvodnje,

neophodno je pronaći metode za smanjenje utroška enzima celulaze [22].

19

Fermentacija pentoza

Jedan od osnovnih problema kod proizvodnje bioetanola iz lignocelulozne biomase je u

tome što kvasac Saccharomyces cerevisiae može da fermentiše samo odreĎene mono- i

disaharide kao što su glukoza, fruktoza, maltoza i saharoza. Ovaj mikroorganizam ne može da

asimiluje celulozu i hemicelulozu direktno, niti pentoze koje nastaju hidrolizom celuloze

(uglavnom ksiloza). Jedan od načina da se ovaj problem prevaziĎe je primena genetičkog

inženjeringa odnosno tehnologija rekombinantne DNK. Ovim metodama može se postići da

proizvodni mikroorganizmi poveća toleranciju na etanol i da prošire sposobnost da metabolišu

različite supstrate. Tako na primer, modifikovani oblik Z. mobilis pored heksoza (glukoza,

fruktoza), može da fermentiše i pentoze (ksiloza) u etanol [2]. Drugi pristup je primena

mikroorganizama koji fermentišu pentoze, kao što su neki kvasci i bakterije. U ovom slučaju,

predlaže se konfiguracija sa odvojenom fermentacijom pentoza i heksoza. Kvasci kao što je

Pichia stipitis, Candida shahatae i Pachysolen tannophilus mogu da asimiluju pentoze ali je

njihov stepen konverzije glukoze do etanola pet puta manji nego što je slučaj sa Saccharomyces

cerevisiae. Pored toga, zahtevaju kiseonik (aerisanje) a tolerantnost na etanol je 2–4 puta manja

[38]. Termofilne bakterije koje mogu da fermentišu pentozu su mikroorganizmi koji se mogu

gajiti zajedno sa bakterijama koje hidrolizuju celulozu, kao što je C. thermocellum kako bi se

vršila direktna konverzija predtretirane lignocelulozne biomase u etanol. Ovaj proces se naziva

konsolidovani bioproces (Consolidated Bioprocessing – CPB) (slika 5) [41].

Slika 5.

U mikroorganizme koji mogu da fermentišu heksoze i pentoze spada i gljiva Mucor

indicus kojom se postiže prinos bioetanola od 0,46 g/g glukoze, kada se gaji pod anaerobnim

20

uslovima. Pored toga, ova gljiva asimiluje inhibitore koji se javljaju u hidrolizatima razblaženih

kiselina [44].

Termohemijski postupci

Postoje dva postupka proizvodnje bioetanola koja uključuju i termohemijske reakcije.

Prvi sistem je hibrid termohemijskog i biološkog sistema [45]. Lignocelulozna biomasa se prvo

termohemijski gasifikuje a sintetički gas (smeša vodonika i ugljen-monoksida) se uduvava u vidu

mehurića kroz specijalno projektovane fermentore. Reakcija gasifikacije biomase je:

C + H2O→ CO + H2 (2)

Mikroorganizam koji može da prevodi ovaj gas se uvodi u fermentor pod posebnim uslovima

kako bi se izazvala fermentacija do bioetanola [40].

U drugom termohemijskom procesu proizvodnje bioetanola ne koriste se

mikroorganizmi. U ovom postupku se lignocelulozna biomasa prvo gasifikuje, a sintetički gas

zatim prolazi kroz sistem sa hemijskim katalizatorom, koji konvertuje sintetički gas do

bioetanola. Dobijeni su prinosi do 50% etanola u procesu sa sintetičkim gasom. U postupcima u

kojima prvo nastaje metanol, koji se zatim katalitičkim putem prevodi u etanol, postignuti su

prinosi do 80% etanola. Nažalost, kao i kod drugih procesa, pronalaženje ekonomski isplativog

termohemijskog postupka je i dalje u fazi istraživanja [45].

UTICAJ BIOETANOLA NA EKONOMIJU I ŽIVOTNU SREDINU

Kako bi proces proizvodnje biogoriva bio ekonomski isplativ, cena različitih vrsta ovih

goriva mora biti konkurentna meĎusobno, ali i sa mineralnim gorivima kao što su dizel i benzin.

Ova konkurentnost omogućava dostupnost biogoriva na tržištu i mogućnost da potrošači preĎu sa

fosilnog na biogorivo.

21

S obzirom da je do danas cena bioetanola znatno viša od cene fosilnog benzina, vlade

nekih država uvode posebne povlastice kako bi podstakle proizvodnju i potrošnju bioetanola u

sektoru saobraćaja. Razlikuju se tri glavna pristupa u implementaciji regulativa i politika za

biogoriva: (1) politika zasnovana na uvoĎjenju taksa, (2) politika zasnovana na uvoĎenju

subvencija u poljoprivredi i (3) uvoĎenje zakonske regulative vezane za gorivo [46]. Na razvoj i

promovisanje biogoriva danas mnogo više utiče sektor poljoprivrede nego energetski sektor.

Štaviše, većina programa koja promovišu korišćenje biogoriva zavisi od subvencija i vladinih

programa, koji mogu dovesti do poremećaja cena na tržištu i predstavljati veliko optrećenje za

državni budžet. Ako bi se cene nafte održale na ovako visokom nivou, i uz postojani razvoj sve

efikasnijih i jeftinijih tehnologija, biogoriva bi u bližoj budućnosti mogla postati ekonomski

isplativa alternativa u mnogim državama [47].

Cena sirovina i njena promenljivost znatno utiču na cenu bioetanola [48]. Sirovine

predstavljaju 60–75% ukupnih troškova proizvodnje bioetanola [17]. Na primer, cena bioetanola

iz šećerne trske u Brazilu iznosi 0,23–0,29 $ po litru [49]. U Evropskoj uniji i SAD-u bioetanol

dobijen iz šećernih sirovina ili kukuruza iznosi 0,29 $ po litru [50] i 0,53 $ po litru [51], redom.

ZAKLJUČAK

Proizvodnja bioetanola na svetskom nivou se od 2005. do 2009. godine povećala od 33,0

milijarde litara do 73,9 milijardi litara [4]. Mnogi istraživački projekti u poslednje vreme su

usmereni ka razvoju koncepta obnovljivih izvora energije, održivom razvoju, „zelenoj energiji“ i

ekološki prihvatljivim procesima proizvodnje. Da bi masovna proizvodnja bioetanola bila

moguća, neophodno je da ovaj proces bude ekonomski isplativ i da u celini ne utiče negativno na

životnu sredinu. U tehnologijama koje se trenutno komercijalno primenjuju, glavnicu troškova

čine sirovine (preko 60%), posle čega slede troškovi proizvodnje. U opštem slučaju, proizvodnja

22

bioetanola iz šećernih sirovina (kao što je šećerna trska), znatno je jeftinija nego proizvodnja iz

skrobnih sirovina. Iako je prinos etanola iz kukuruza viši nego iz šećerne repe, zbog manjeg

godišnjeg prinosa po hektaru kukuruza, neophodno je zasejavati veće obradive površine. To se

negativno odražava na proizvodnju hrane. S druge strane, lignocelulozna biomasa predstavlja

najperspektivniju sirovinu za proizvodnju bioetanola. Dostupnost i niske cene različitih vrsta

ovih sirovina, pružaju velike mogućnosti za razvoj bioindustrije koja bi mogla da podrži razvoj

meĎunarodnog tržišta biogoriva i doprinese smanjenju globalne emisije gasova staklene bašte.

Trenutne tendencije u istraživanjima radi poboljšanja proizvodnje etanola odnose se na

prirodu biomaterijala, faze procesa proizvodnje, integraciju pojedinih faza u odgovarajuću

procesnu šemu (napr. SHF, SSF, CPB postupci), istraživanja na polju genetičkog inženjeringa i

srodne injženjerske probleme.

LITERATURA

[1] L. Mojović, D. Pejin, O. Grujić, S. Markov, J. Pejin, M. Rakin, M. Vukašinović, S. Nikolić,

D. Savić: Progress in the production of bioethanol on starch-based feedstocks, Chem. Ind. Chem.

Eng. Q. 15 (4) (2009) 221-226.

[2] L. Mojović, D. Pejin, M. Lazić: Bioetanol kao gorivo – stanje i perspektive, monografija,

Tehnološki fakultet, Leskovac, 2007.

[3] Draft decision-/ CP.15, United Nations Framework Convention on Climate Change,

Copenhagen 7–18 December 2009, unfccc.int/resource/docs/2009/cop15/eng/l07.pdf.

[4] Renewable Fuels Association http://www.ethanolrfa.org/news/entry/global-ethanol-

production-to-reach-85.9-billion-litres-22.7-billion-ga/

23

[5] D. Semenčenko, M. Radosavljević, V Semenčenko: Uloga i mesto istraživanja i primene

biogoriva u strategijama razvoja obnovljivih izvora energije, Sym-op-is, XXXVI Simpozijum o

operacionim istraživanjima, Ivanjica, septembar 2009.

[6] Renewable Energy Network for the 21st Century (REN21), Renewable 2007 Global Status

Report, Paris: REN21 Secretariat and Washington, DC: Worldwatch Institute: 2008.

[7] A. Demirbas, Producing and using bioethanol as an automotive fuel, Energ. Source., B 2

(2007) 391-401.

[8] L. Mojović, S. Nikolić, M. Rakin, M. Vukašinović: Production of bioethanol from corn meal

hzdrolyzates, Fuel 85 (2006) 1750-1755.

[9] M. B. Tasić, V. B. Veljković, I. B. Banković-Ilić, M. L. Lazić, L V. Mojović, Bioetanol –

Stanje i persektive, Hem. ind. 60 (2006)1-10.

[10] Z. Predojević: Postupci pripreme lignocelulozne sirovine za dobijanje bioetanola, Hem. ind.

64 (2010) 283-293.

[11] T. Furman, O. Ocić, D. Skala, R. Nikolić, M. Brkić, S. Kovčin, J. Crnobarac, M. Jovanović,

M. Tomić, L. Savin: Biodizel – alternativno i ekološko tečno gorivo, monografija, Poljoprivredni

fakultet, Novi Sad, 2005.

[12] Analiza tržišta naftnih derivata, studija, Petroleum Economics Limited, London, 2005.

[13] O. Ocić: Oil Refineries in the 21st Century, monograph, John Wiley & Sons, 2005.

[14] Program modernizacije Rafinerije nafte Pančevo, biznis plan, NIS, 2008.

[15] S. Nikolić, L. Mojović, M. Rakin, D. Pejin, Bioethanol production from corn meal by

simultaneous enzymatic saccharification and fermentation with immobilized cells of

Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, Fuel 88 (2009) 1602-1607.

24

[16] S. Nikolić, L. Mojović, D. Pejin, M. Rakin, V. Vučurović. Improvement of ethanol

fermentation of hydrolyzates of corn semolina by immobilized Saccharomyces cerevisiae var.

elipsoideus by media supplementation, Food Technol. Biotech. 47 (2009) 83-89.

[17] M. Balat, H. Balat: Recent trends in global production and utilization of bio-ethanol fuel,

Appl. Energ. 86 (2009) 2273-2282.

[18] S. Nikolić, L. Mojović, M. Rakin, D. Pejin, J. Pejin: Ultrasound-assisted production of

bioethanol by simultaneous saccharification and fermentation of corn meal, Food Chem. 122

(2010) 216-222.

[19] A. Margeot, B. Hahn-Hagerdal, M. Edlund, R. Slade, F. Monot: New improvements for

lignocellulosic ethanol, Curr. Opin. Biotech. 20 (2009) 372-380.

[20] W.Z. Li, J. Xu, J. Wang, Y. Yan: Studies of monosaccharide production trough

lignocellulosic waste hydrolysis using double acids, Energ. Fuel. 22 (2008) 2015-2021.

[21] E.A. Bayer, R Lamed, M Himmel: The potential of cellulases and cellulosomes for

cellulosic waste management, Curr. Opin. Biotech. 18 (2007) 237-245.

[22] O. J. Sanchez, C.A. Cardona. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from

different feedstocks, Bioresource Technol. 99 (2008) 5270-5295.

[23] L.R Lynd: Overview and evaluation of fuel ethanol from cellulosic biomass: technology,

Economics, the Environment, and Policy, Ann. Rev. Energ. Environ. 21 (1996) 403-465.

[24] P.Ghosh, T.K Ghose: Bioethanol in India: recent past and emerging future, Adv. Bioch.

Eng. Biot. 85 ( 2003) 1-27.

[25] I. Ballesteros, J.M. Oliva, M.J. Negro, P.Manzanares, Ballestros: Enzymatic hydrolysis of

steam exploded herbaceous agricultural waste (Brassica carinata) at different particule sizes,

Process Biochem. 38 (2002) 187-192.

25

[26] A. Shahbazi, Y. Li, M.R. Mims: Application of sequential aqueous steam treatments to the

fractination of softwood, Appl. Biochem. Biotech. (2005) 973-968.

[27] J. Soderstrom, L. Pilcher, M. Galbe, G. Zacchi: Two-step steam pretreatment of softwood

by dilute H2SO4 impregnation for ethanol production, Biomass Bioenerg. 24 (2003) 475-486.

[28] M. Laser, D. Schulman, S.G. Allenm, J. Lichwa, Jr, M.J. Antal, L.R. Lynd: A comparison

of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol,

Bioresource Technol. 81 ( 2002) 33-44.

[29] J.C. Ogier, D. Ballerini, J.-P. Leygue, L. Rigal, J. Pourquie: Production d'ethanol a partir

de biomasse lignocellulosique. Oil Gas Sci. Technol. - Revue de l'IFP 54 (1) (1999) 67-94.

[30] M.J. Negro, P. Manzanares, I. Ballestros, J.M. Oliva, A. Cabanas, M. Bellestros:

Hydrothermal pretreatment conditions to enhance ethanol production from poplar biomass. Appl.

Biochem. Biotech. 105 (2003) 87-100.

[31] Y. Sun, J. Cheng: Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review,

Bioresource Technol. 83 ( 2002) 1-11.

[32] B.S. Zhang, Process for preparing fuel ethanol by using straw fiber materials. Patent

CN1880416, 2006.

[33] C.N. Hamelinck, G. van Hooijdonk, A.P.C. Faaij: Ethanol from lignocellulosic biomass:

techno-economic performance in short-, middle-, and long-term, Biomass Bioenerg. 28 (2005)

384-410.

[34] T.V. Ojumu, O.A. Ogunkunle: Production of glucose from lignocellulosic under extremely

low acid and high temperature in batch process, auto-hydrolysis aproach, J. Appl. Sci. 5 (1)

(2005) 15-17.

26

[35] L.R. Lynd, P.J. Weimar, W.H. van Zyl, I.S. Pretorious: Microbial cellulose utilization:

fundamentals and biotechnology, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66 (3) (2002) 506-577.

[36] A. Berlin, N. Gilkes, D. Kilburn, R. Bura, A. Markov, A. Skomarovsky, O. Okunev, A.

Gusakov, V. Maximenko, D. Gregg: Evaluation of novel fungal cellulase preparation for ability

to hydrolyze softwood substrates - evidence for the role of accessory enzymes, Enzyme Microb.

Tech. 37 (2005) 175-184.

[37] H. Palonen, L. Viikari: Role of oxidative enzymatic treatments on enzymatic hydrolysis of

softwood, Biotechnol. Bioeng. 86 (2004) 550-557.

[38] Y-H. P. Zhang, L.R. Lynd: Toward an aggregated understanding of enzymatic hydrolysis of

cellulose: noncomplexed cellulose systems, Biotechnol. Bioeng. 8 (2004) 797-824.

[39] S. Katahira, A. Mizuike, H. Fukuda, A. Kondo: Ethanol fermentation from lignocellulosic

hydrolysate by a recombinant xylose- and cellooligosaccharide-assimilating yeast strain, Appl.

Microbiol. Biotechnol. 72 (2006) 1136-43.

[40] A. Demirbas: Bioethanol from cellulosic materials: a renewable motor fuel from biomass,

Energy Source., A 27 ( 2005) 327-37.

[41] Q. Xu, A. Singh, M.E. Himmel: Perspectives and new directions for the production of

bioethanol using consolidated bioprocessing of lignocellulose, Curr. Opin. Biotechnol. 20 (2009)

364-371.

[42] P.A.M. Claassen, J.B. van Lier, A.M. Lopez Contreras, E.W.J. van Niel: Utilisation of

biomass for the supply of energy carriers, Appl. Microbiol. Biotechnol. 52 (1999) 741-755.

[43] C.A. Cardona, O.J. Sanchez: Fuel ethanol production: process design trends and integration

opportunities, Bioresource Technol. 98 (2007) 2415-2457.

27

[44] A. Sues, R. Millati, L. Edebo, M.J. Taherzadeh: Ethanol production from hexsoses, pentoses

and dilute-acid hydrolyzate by Mucor indicus, FEMS Yeast Res. 5 (2005) 669-676.

[45] P.C. Badger: Ethanol from cellulose: a general review, In: J. Janick, A. Whipkey (eds.),

Trends in New Crops and New Uses, Alexandria (VA), ASHS Press, 2002.

[46] A.M. Smith: Prospects for increasing starch and sucrose yields for bioethanol production,

Plant J. 54 (2008) 546-558.

[47] C. DeFraiture, M. Giordano, Y. Liao: Biofuels and implications for agricultural water use:

blue impacts of green energy, Water Policy 1 (10) (2008) 67-80.

[48] S. Yoosin, C. Sorapipatana C: A study of ethanol production cost for gasoline substitution in

Thailand and its competitiveness, Thammasat Int. J. Sci. Technol. 12 (2007) 69-80.

[49] M. Kojima, T. Johnson: Potential for biofuels for transport in developing countries, Energy

sector management assistance programme, joint UNDP/World Bank, Washington DC, October

2005.

[50] D. Mitchell, A note on rising food prices, World Bank Development Prospects Group,

World Bank Washington DC, April 8, 2008.

[51] K. Christensen, A. Smith: The case for hemp as biofuel, Vote Hemp Inc. Report,

Brattleboro, VT, 2008.

28

SUMMARY

RECENT TRENDS IN BIOETHANOL PRODUCTION

Valentina V. Semenčenko1, Ljiljana V. Mojović

1, Slobodan D. Petrović

1,2, Ozren Ocić

3

1Faculty of Technology and Metallurgy, University of Belgrade, Karnegijeva 4, Belgrade, Serbia

2Hemofarm A.D., Beogradski put b.b., Vršac, Serbia

3 EU-Faculty for International Engineering Management, Carigradska 26, Belgrade, Serbia

(Review paper)

The rapid depletion of the world petroleum supply and the increasing problem of greenhouse gas

effects have strenghtened the worldwide interest in alternative, nonpetroleum sources of energy.

Bioethanol accounts for the majority of biofuel use worldwide, either as a fuel or a gasoline

enhancer. Utilization of bioethanol can significantly reduce petroleum use and exhaust

greenhouse gas emission. The production of this fuel is increasing over the years, and has

reached the level of 73.9 billion liters during the year 2009. Even though ethanol production for

decades mainly depended on energy crops containing starch and sugar (corn, sugar cane etc.),

new technologies for converting lignocellulosic biomass into ethanol are under development

today. The use of lignocellulosic biomass, such as agricultural residues, forest and municipial

waste, for the production of biofuels will be unavoidable if liquid fossil fuels are to be replaced

by renewable and sustainable alternatives. For biological conversion of lignocellulosic biomass,

pretreatment plays a central role affecting all unit operations in the process and is also an

29

important cost deterrent to the comercial viability of the process. The key obstacles are:

pretreatment selection and optimization; decreasing the cost of the enzymatic hydrolysis;

maximizing the conversion of sugars (including pentoses) to ethanol; process scale-up and

integration to minimize energy and water demand; characterization and evaluation of the lignin

co-product; and lastly, the use of the representative and reliable data for cost estimation, and the

determination of environmental and socio-economic impacts. Currently, not all pretreatments are

capable of producing biomass that can be converted to sugars in high enough yield and

concentration, while being economically viable. For the three main types of feedstocks, the

developement of effective continuous fermentation technologies with near to 100% yields and

elevated volumetric productivities is one of the main research subjects in the ethanol industry.

The application of new, engineered enzyme systems for cellulose hydrolysis, the construction of

inhibitor tolerant pentose fermenting strains, combined with optimized process integration

promise significant improvements.

Ključne reči: Bioetanol, lignocelulozna biomasa, biokonverzija

Key words: Bioethanol, lignocellulosic biomass, bioconversion

30

Spisak tabela:

Tabela 1. Najveći svetski proizvoĎači bioetanola u periodu 2007–2009. godine, izraženo u

milionima litara

Table 1. World's top bioethanol producers in the period of 2007–2009, in millions of liters

Tabela 2. Promene specifikacija motornih benzina prema standardima Evropske unije

Table 2. Changes in specifications for motor petrol according to the European Union standards

Tabela 3. Postupci za dobijanje bioetanola iz različitih sirovina

Table 3. Bioethanol pathways from different raw materials

Tabela 4. Prinosi bioetanola iz kukuruzovine primenom hidrolize sa koncentrovanom kiselinom

(% suve mase)

Table 4. Yields of bioethanol by concentrated sulfuric acid hydrolysis from corn stalks (% of dry

weight)

31

Spisak slika:

Slika 1. Godišnja svetska proizvodnja bioetanola u periodu 2005–2009. godine, izražena u

milijardama litara

Figure 1. World's bioethanol production in the period of 2005–2009, in billions of liters

Slika 2. Šematski prikaz proizvodnje bioetanola iz lignocelulozne biomase

Figure 2. Flow chart for the production of bioethanol from lignocellulosic biomass

Slika 3. Uticaj predtretmana na strukturu lignocelulozne biomase

Figure 3. Pretreatment effect on the lignocellulosic biomass structure

Slika 4. Šematski prikaz procesa simultane saharifikacije i fermentacije (SSF)

Figure 4. Scheme for SSF (simultaneous saccharification and fermentation)

Slika 5. Šematski prikaz konsolidovanog bioprocesa CPB

Figure 5. Scheme for CPB (consolidated bioprocessing)

32

Tabela 1

Država 2009 2008 2007

SAD 40693,2 34068,7 24599,9

Brazil 24900,0 24499,9 18999,7

Evropska Unija 3935,0 2777,2 2158,8

Kina 2050,0 1899,9 1839,7

Tajland 1647,4 339,9 299,8

Kanada 1100,0 899,8 799,9

Indija 347,0 249,8 199,9

Kolumbija 315,0 300,2 283,5

Australija 215,0 99,9 99,9

Ostalo 936,0 486,0 314,2

Ukupno 73948,0 65621,2 49595,3

33

Tabela 2

Karakteristike

1994

Evro1

(1995)

Evro2

(1996)

Evro3

(2000)

Evro4

(2005)

Evro5

(2009)

Sumpor, ppm mas, max

1000 500 - 150 50/10 10

Benzen, vol%, max

5 5 5 1 1 1

Aromati, vol%, max

– – - 42 35 35

Olefini, vol%, max

– – – 18 18 18

Kiseonik, vol%, max

– 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7

34

Tabela 3

Sirovina Postupak

Drvo Kiselinska hidroliza + fermentacija

Drvo Enzimska hidroliza + fermentacija

Slama Kiselinska hidroliza + fermentacija

Slama Enzimska hidroliza + fermentacija

Pšenica Sladovanje + fermentacija

Šećerna trska Fermentacija

Šećerna repa Fermentacija

Kukuruz (zrno) Fermentacija

Kukuruz (stabljika) Kiselinska hidroliza + fermentacija

Sirak Fermentacija

35

Tabela 4

Masa kukuruzovine (kg) 1000

Sadržaj celuloze (kg) 430

Efikasnost konverzije i izdvajnja celuloze 0,76

Stehiometrijski prinos bioetanola 0,51

Efikasnost fermentacije glukoze 0,75

Prinos bioetanola iz glukoze (kg) 130

Masa kukuruzovine (kg) 1000

Sadržaj hemiceluloze (kg) 290

Efikasnost konverzije i izdvajnja hemiceluloze 0,90

Stehiometrijski prinos bioetanola 0,51

Efikasnost fermentacije ksiloze 0,50

Prinos bioetanola iz ksiloze (kg) 66

Ukupni prinos bioetanola iz 1000 kg kukuruzovine 196 kg (225,7 l)

36

Slika 1

37

Slika 2

HIDROLIZA HEMICELULOZE

SEPARACIJA

ČVRSTA CELULOZA + LIGNIN KSILOZA

HIDROLIZA CELULOZE

FERMENTACIJA KSILOZE

GLUKOZA + ČVRSTI LIGNIN

FERMENTACIJA GLUKOZE DESTILACIJA BIOETANOLA

BIOETANOL ČVRSTI LIGNIN ZA LOŽENJE

BIOMASA

38

Slika 3

39

Slika 4

Sirovina

Proizvodnja

enzima

Predtretman Separacija

čvrsto/tečno

Enzimska

hidroliza

Fermentacija

šećera iz celuloze

Izdvajanje

proizvoda Proizvodi

Fermentacija šećera iz

hemiceluloze

Prerada otpada

Sporedni

proizvodi

40

Slika 5

Sirovina

Predtretman

Direktna konverzija

šećera iz celuloze i

hemiceluloze

Izdvajanje

proizvoda Proizvodi

Prerada otpada

Sporedni

proizvodi

Objedinjuje

proizvodnju

enzima,

hidrolizu i

fermentaciju u

jednom reaktoru